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Láseres 2006

Láseres 2006. Dr. Ponciano Rodriguez Montero Oficina 1216 Dr. Carlos G. Treviño Palacios Oficina 1210. Definición de Óptica.

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Láseres 2006

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  1. Láseres 2006 Dr. Ponciano Rodriguez Montero Oficina 1216 Dr. Carlos G. Treviño Palacios Oficina 1210

  2. Definición de Óptica • Óptica es el campo de la ciencia y la ingeniería que comprende los fenómenos físicos y tecnologías asociadas con la generación, transmisión, manipulación, detección y uso de la luz

  3. Ciencia Aplicada Tecnología Aplicado Fundamental Ciencia Ciencia Básica Conocimiento a lo Largo del Otro Eje Conocimiento

  4. Procesamiento de Señales Teoría de Control Óptica Sistemas Comunicaciones Electrónica Tecnología Aplicado Fundamental Ciencia Óptica Altas Energías Física Nuclear Gravitación Física Atómica Materia Condensada Conocimiento a lo Largo del Otro Eje Conocimiento

  5. Procesamiento de Señales Teoría de Control Óptica Sistemas Comunicaciones Electrónica Óptica Aplicada Fotónica Óptica Fundamental Óptica Altas Energías Física Nuclear Gravitación Física Atómica Materia Condensada Conocimiento a lo Largo del Otro Eje Diseño Óptico Materiales Ópticos Dispositivos Láseres Propiedades Ópticas de Materiales Óptica Cuántica Aplicado Fundamental

  6. Láseres LASER LASER ¿ Qué es un láser? Es la herramienta que nos permite determinar las características de los materiales • La palabra LASER es un acrónimo ight mplification by timulated mission of adiation • En español: Luz Amplificada por Efecto de Radiación Estimulada

  7. El precursor del LASER fue el MASER (1951) moleculas excitadas de amoniaco Gordon, J.P.; Zeiger, H.J.; Townes, C.H. Phys. Rev., 95, 282, 1954. Precursores del láser • Predicción de la emisión estimulada de luz Albert Eintsein (1917) • Inversión de población en Levedev (1951) Basov y Prokhorov • Premio Nobel por “Trabajo Fundamental A.H.Townes, en el campo de la electrónica cuántica, que N.G. Basov, llevo a la construcción de osciladores y A.M. Prokhorov amplificadores basados en el principo (1964) maser-laser” • Gordon Gould 1957 bautizó el “maser óptico” como láser (1957) • patente del láser en 1977 (originalmente a Townes y Schawlow)

  8. Maiman, T.H. Nature. 187, 493, 1960 (1960) Precursores del láser • Construcción del primer láser T.H. Maiman (láser de rubí) • Dato curioso: La demostración del primer láser fue rechazada por Physical Review Letters • Entre 1960 y 1980 se desarrollaron casi todo tipo de láseres y se encontro emisión láser en estrellas, nebulosas y planetas

  9. Premio Nobel en Física (1997) por “el desarrollo de métodos para enfriar y atrapar átomos con radiación laser” S. Chu, C. Cohen-Tannoudji y W. D. Phillips • Premio Nobel en Química (1999) por “estudios de las transiciónes de estados en reacciones químicas usando espectroscopía de femtosegundos” Ahmed H. Zewail • Premio Nobel en Física (2000) por “estudio en tecnología de información y comunicación” Zhores I. Alferov por “desarrollo de heteroestructurasen semiconductores usados en señales a altas velocidades y optoelectrónica” Herbert Kroemer Ganadores del láser

  10. Ganadores del láser • Premio Nobel en Química (2000) por “el descubrimiento y desarrollo de los polímeros conductrores” Alan J. Heeger, Alan G. MacDiarmid, Hideki Shirakawa • Premio Nobel en Física (2001) por “lograr la condensación de Bose-Einstein en gases diluidos de átomos alcalinos, y los primeros estudios de las propiedades de los condensados” Eric A. CornellWolfgang KetterleCarl E. Wieman • Premio Nobel en Física (2005) por “su contribución al desarrollo de espectroscipia de presición basada en el láser, incluyendo la tecnica de peine óptico de frecuencias” John L. Hall , Theodor W. Hänsch

  11. Absorción y Emisión • La interpretación moderna de la emisión y absorción de luz fué propuesta en 1917 por Einstein • La suposición fundamental fue que la diferencia de energía antes y después de la fotoemisión es igual a E = h Para explicar los fenómenos solamente usaremos el modelo del átomo de Bohr (1913)

  12. Absorción y Emisión La Interacción e intercambio de energía entre dos niveles puede ocurrir de una de las siguientes maneras (a)Absorcion de Energía E = E2 - E1 (b) Absorción de energía de un fotón de energía E (c) Emisión espontanea de un fotón de energía E (d) Emisión estimulada de un fotón de energía E (e) Decaimiento no radiativo. E2 E E1

  13. Absorción y Emisión La Interacción e intercambio de energía entre dos niveles puede ocurrir de una de las siguientes maneras (a) Absorcion de Energía E = E2 - E1 (b) Absorción de energía de un fotón de energía E (c) Emisión espontanea de un fotón de energía E (d) Emisión estimulada de un fotón de energía E (e) Decaimiento no radiativo. E2 h E E1

  14. Absorción y Emisión La Interacción e intercambio de energía entre dos niveles puede ocurrir de una de las siguientes maneras (a) Absorcion de Energía E = E2 - E1 (b) Absorción de energía de un fotón de energía E (c) Emisión espontanea de un fotón de energía E (d) Emisión estimulada de un fotón de energía E (e) Decaimiento no radiativo. E2 E h E1

  15. Absorción y Emisión La Interacción e intercambio de energía entre dos niveles puede ocurrir de una de las siguientes maneras (a) Absorcion de Energía E = E2 - E1 (b) Absorción de energía de un fotón de energía E (c) Emisión espontanea de un fotón de energía E (d) Emisión estimulada de un fotón de energía E (e) Decaimiento no radiativo. E2 E h E1

  16. Absorción y Emisión La Interacción e intercambio de energía entre dos niveles puede ocurrir de una de las siguientes maneras (a) Absorcion de Energía E = E2 - E1 (b) Absorción de energía de un fotón de energía E (c) Emisión espontanea de un fotón de energía E (d) Emisión estimulada de un fotón de energía E (e) Decaimiento no radiativo. E2 E E1

  17. Elementos básicos de un láser • Medio activo • Método de bombeo • Cavidad Resonante • Extraccion de parte de la luz de la cavidad

  18. Medio Activo • Medio Activo: gaseoso, estado solido, líquido, semiconductor, ...

  19. - electrón - bombeo Metodo de Bombeo • Método de Bombeo: eléctrico, químico, óptico, ... Los electrónes ocupan estados excitados

  20. - electrón - electrón - bombeo - bombeo - fotón Fluorecencia • La fluorescencia se da por decaimiento espontáneo

  21. - electrón - bombeo - fotón Fluorecencia • La fluorescencia se da por decaimiento espontáneo

  22. - electrón - bombeo - fotón Fluorecencia • La fluorescencia se da por decaimiento espontáneo • y también se da emisión estimulada !!!!!

  23. - electrón - bombeo - fotón Ganancia • Si se logra tener suficientes estados excitados bajo las condiciones adecuadas se puede ver Ganacia

  24. Confinamos a el medio activo bajo bombeo dentro de una cavidad: dos paredes con características especiales Cavidad Resonante

  25. Los fotónes rebotan en las paredes con el mismo ángulo con que entraron y no pierden el paso !!! Cavidad Resonante

  26. Deshagámonos del medio activo y bombeo por un momento Cavidad Resonante

  27. Despues de un tiempo la mayoria de los fotónes estarán rebotando entre las paredes CON EL MISMO PASO Cavidad Resonante

  28. Ahora abrimos una pequeña puerta en una de las paredes Extracción Parcial y dejamos que algunos de los fotónes salgan

  29. Extracción Parcial • Estos fotónes salen en un solo rumbo (direccional), el mismo paso (monocromático) y andar (coherencia)

  30. Es decir, tenemos un láser Láser

  31. ¿Qué es un Láser? ES UNA FUENTE DE LUZ: • MONOCROMÁTICA • Para la luz visible:  5 x 1014 Hz • El sol tiene un ancho de banda del orden de 1014 Hz • (aunque se puede reducir a 1 MHz usando filtros) • 100 Hz para un láser (/ 2 x 10-13) • Se puede alcanzar 1 Hz !!!!!!!!!!! Entendemos por luz la región del espectro visible y sus vecinos cercanos (Infrarrojo y ultravioleta)

  32. ¿Qué es un Láser? ES UNA FUENTE DE LUZ: • MONOCROMÁTICA • COHERENTE • Un ancho de banda finito  implica que diferentes ´s pueden desfasarse • El tiempo que dos oscilaciones separadas por  es  = 1/ • (tiempo de coherencia) • Para un láser con  1 MHz,  = 1 µsec • El tiempo de vida “típico” de la fluorescencia de un átomo se mide en nanosegundos (10-9 seg) • Para el sol (1014 Hz)  10-14 seg. • La longitud de coherencia (z = c ) para un láser se mide típicamente en metros.

  33. Haz incoherente Haz coherente: láser Coherencia

  34. ¿Qué es un Láser? ES UNA FUENTE DE LUZ: • MONOCROMÁTICA • COHERENTE • DIRECCIONAL • La salida de un laser se puede considerar como frentes de onda • “ideales” limitados por difracción. • El ángulo sólido que subtiende está dado por • 2/A • Para  = 500 nm y A (5 mm)2,  = 10-8 estereoradianes

  35. ¿Qué es un Láser? ES UNA FUENTE DE LUZ: • MONOCROMÁTICA • COHERENTE • DIRECCIONAL • ESPECTRALMENTE • BRILLANTE • La energía concentrada en un rango espectral es muy superior • y está más concentrada que la energía equivalente de una fuente • térmica convencional

  36. 2 w 2 w o o 2 w f Patrón de Radiación Los láseres emiten con una distribución de intensidad gaussiano. Las carcácteristica de focalización es diferente a la luz blanca, y es compatible con las fibras ópticas.

  37. 1 segundo - es a - la edad del universo 1 femtosegundo - es a - 1 segundo como Características del láser • Los láseres trabajan con “luz”: región visible del espectro y vecinos cercanos (UV, IR) Período de la luz (1 µm) : 300 THz  3 femtosegundos • Dada ésta característica se pueden tener láseres con diferentes potencias y duraciones: • Continuos (CW) nanosegundos • Q-switching, Gain Switching pico- femto- segundos • Mode lock

  38. TIPOS DE LÁSERES

  39. Tipos de láseres Podemos clasificar a los láseres de acuerdo al medio de ganacia • Láseres gaseosos • Láseres líquidos • Láseres de estado solido • Otros tipos de láseres

  40. Moleculares Atómicos CO2 (Dioxido de Carbono) N2 (Nitrógeno) Químicos (HF - DF) Infrarojo lejano Excimeros He-Ne (Helio-Neón) He-Cd (Helio-Cadmio) Iones Ar+ (Argón) Kr+ (Kryptón) Vapores de metal Vapores de Cobre Vapores de Oro Tipos de láseres Láseres gaseosos Se diferencian por el tipo de transiciones que ocurre

  41. Longitudes de onda de emisión • l1= 632.8 nm, • l2=1.152 nm, • l3=3.3913 nm, • l24=0.5435 nm Tipos de láseres Láseres gaseosos Se diferencian por el tipo de transiciones que ocurre Atómicos He-Ne (Helio-Neón) (1961)

  42. Existen alrededor de 500 tipos de colorantes comunes Colorantes bombeados por luz UV Tipos de láseres Láseres líquidos • Láseres de colorante

  43. Tipos de láseres Láseres de estado sólido • Aislantes Ruby Nd:YAG, Nd:Vidrio Centros de color Alejandrina Titanio Zafiro

  44. Semiconductores Diodos láser Tipos de láseres Láseres de estado sólido • Aislantes Ruby Nd:YAG, Nd:Vidrio Centros de color Alejandrina Titanio Zafiro

  45. Semiconductores Diodos láser Tipos de láseres Láseres de estado sólido • Aislantes Ruby Nd:YAG, Nd:Vidrio Centros de color Alejandrina Titanio Zafiro

  46. Tipos de láseres Otros tipos de láseres • Láser de rayos X • Láser de electrones libres Un haz de electrones en un acelerador lineal (0- 10 GeV) pasa por un campo magnetico oscilante y genera radiación coherente Sintonizables de 278 nm a 100 µm

  47. Estrella en miniatura creada con NOVA con 12 TWatts de potencia Tipos de láseres Otros tipos de láseres • Láser de rayos X • Láser de electrones libres • Láser de altas potencias

  48. Boyraz O. & Jalali B. Opt. Express, 12. 5269 - 5273 (2004). Tipos de láseres Otros tipos de láseres • Láser de rayos X • Láser de electrones libres • Láser de altas potencias • Láser de silicio !!!!

  49. Tipos de láseres Otros tipos de láseres • Láser de rayos X • Láser de electrones libres • Láser de altas potencias • Láser de silicio !!!! Boyraz O. & Jalali B. Opt. Express, 13. 791 - 800 (2005).

  50. Tipos de láseres Otros tipos de láseres • Láser de rayos X • Láser de electrones libres • Láser de altas potencias • Láser de silicio !!!! • Láser de átomos

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